文摘

新水下沉积物内源污染可能影响丹江口水库的水质、水源的南水北调中线工程的项目。在这项研究中,原位沉积物样品收集在不同的位置(Guojiashan (DJK1) Kongqueyuan (DJK2) Shijiagou (DJK3) Shiqiao码头(DJK4)和松岗码头(DJK5)从北到南)的丹江口水库及上游支流使用柱状沉积物采样器和静态培养实验室的分配和释放内源性N和P的沉积物进行了基于双层膜扩散模型。结果表明,P含量主要水库及上游支流的顺序 。IP占最大的比例(47.10 -59.70%)的总磷(TP),而LP只占一小部分TP (0.10 - -0.90%)。在空间分布上有显著性差异P在不同采样点,尤其是对OP内容(226.90 mg·公斤1)的变异系数为26.90%。不同形式的P和NH的内容4+- n减少从上游支流主要储层,主要归因于土地利用类型。在垂直分布,不同形式的P的内容DJK4和DJK5随着沉积物深度的增加有所下降。NH的内容4+- n和阿宝43 -- p的沉积物间隙水DJK4和DJK5高于上覆水。此外,NH的内容4+- n和阿宝43 -- p在比DJK4 DJK5更高。静态文化实验表明,N和P主要是释放sediment-overlying水界面上覆水。NH的释放率4+- n和阿宝43 -从13.08 mg·(m - p不等2·d)121.39 mg·(m2·d)1和3.06毫克(m2·d)16.02 mg·(m2·d)1,释放量计算基于双层膜扩散模型 t·1和 t·1,分别。因此,内源污染的新淹没的土地是一个重要因素影响丹江口水库的水质。

1。介绍

水库沉积物被认为是一个重要的水槽上覆水的各种营养成分(1),因此,即使是很小的改变水库沉积物可以产生实质性的影响上覆水的质量(2]。等营养积累沉积物中氮(N)和磷(P)可以从沉积物释放到上覆水通过间隙水的对流、扩散、和再悬浮,造成二次污染的上覆水3]。例如,NH的释放率4+从沉积物仍高达- n t·1在中国云南的滇池,疏浚和污水拦截后(4),而营养丰富的沉积物的再悬浮造成富营养化几十年来即使外部营养负荷减少(5]。在这种情况下,从沉积物内源释放的营养是影响水质的主要因素(6]。因此,更好地了解沉积物中营养物质的分配和释放通量是至关重要的采取措施减少内源性营养物质负荷,改善水库水质(7]。

丹江口水库的主要水源是中国南水北调工程中线,因此水质多年来一直保持在高水平。然而,证据有一个增加内源性污染的风险,严重影响水库的水质8]。溢流堰口的丹江口水库在2012年加剧,导致增加存储容量从174.5亿米3到290.5亿米3(9因此泛滥的17333公顷的农田10]。新成立的沉积物中含有较高的有机质数量与原始沉积物相比,这意味着更高的内源释放和污染的风险。N是更容易释放新淹没农田和果园的丹江口水库11],P损失更加突出新河岸带的价格相比现有的河岸带(12]。因此,内源释放营养物质,如N和P的新淹没地区的沉积物可能对水库的水质构成威胁。许多研究已经进行了调查影响因素从沉积物释放营养物质,如现有国家和季节性变化的营养,溶解氧、温度(13),但对养分的释放新淹没地区的沉积物。

提出了许多模型来描述从湖泊沉积物释放营养物质,如渗透模型,双层膜扩散模型和表面更新模型。其中,双层膜扩散模型特别适合描述通量的内源性营养从动力学的角度来看,由于它使用的数学转换获得双膜厚度由其他模型难以衡量和概括实际复杂的发布过程。然而,有三个理论前提:水和沉积物阶段单一的阶段,通过分子扩散传播发生,泥沙养分的总量保持不变。它避免了复杂环境因素的影响,允许的估计在大型库区泥沙养分的释放。的 值计算的数据从模拟释放实验,获得的净释放系数来源于实际的沉积物吸附、沉淀,微生物作用[14]。

在这项研究中,原位沉积物样品收集在丹江口水库的不同位置和静态培养实验室和内源氮和磷的分配和释放沉积物进行了基于双层膜扩散模型。这项研究的结果可以提供重要的见解如何提高水库的水质。

2。材料和方法

2.1。研究区和采样站点

丹江口水库位于湖北省的西北部和西南部的河南省,由汉江和Danjiang水库。年度平均流入约394.8亿3从汉江Danjiang河及其支流的地形是东南高西北但低。水库于1973年投入运营,溢流堰口高度在2012年。现在,它是亚洲最大的人工淡水湖,水面面积约102275公顷,存储容量约为290.5亿米3(15]。

在这项研究中,5个代表性抽样网站建立了Guojiashan (DJK1;33°02 39 N和111°28 46 E) Kongqueyuan (DJK2;33°0 51 N和111°27 11 E) Shijiagou (DJK3;32°54 42 N和111°30 47 E)、Shiqiao码头(DJK4;32°49 23 N和111°34 28 E),松岗码头(DJK5;32°46 02 N和111°38 50 E),如图1。这些抽样地点约0.5公里的水库岸边水深约2米。上覆水和沉积物样品收集在3月和8月,2018年。采样地点的经度和纬度测定GPS(见表1)。广告,DJK 4, DJK 5是自2012年以来连续农田大量(188 - 356公斤·哈1)化肥(主要钾肥和磷肥)最多使用646公斤·哈1(16]。因此,双层膜扩散模型被用来研究内源N和P的释放的影响这两个采样点在上覆水根据收集到的数据,3月2018年。


图1
丹江口水库采样站点。
表1
N和P的内容在每个采样点的上覆水和原有的土地利用类型。
2.2。样本收集和分析

柱状沉积物样品采集与有机玻璃管使用柱状取样器( ),和三个平行样品收集在每个采样站点静态文化实验。上覆水样品也没有令人不安的沉积物在每个采样点采集。水样的一部分被封装在5 L塑料瓶补充水文化在静态实验,其余是封装在聚乙烯瓶500毫升的氮和磷浓度的测量上覆水,和几滴浓硫酸pH值被添加到达到2和动摇统一以抑制微生物活动。静态培养样本根据深度削减(0 - 1厘米,1 - 2厘米,2 - 3厘米,3 - 4厘米,4 - 5厘米,5 - 6厘米,6 - 7厘米,7 - 8厘米,8 - 9厘米,和9至10厘米)和离心机在5000 r / min 20分钟。获得了沉积物间隙水和过滤使用0.45μ米纤维滤膜对NH的测量4+- n和阿宝43 -在沉积物间隙水- p浓度。

2.3。静态文化实验

上覆水被虹吸作用从柱状沉积物样品,然后使用0.45最初的上覆水过滤μ米纤维滤膜和仔细引入虹吸作用的沿墙柱状沉积物样品。为了更好地模拟现场环境的丹江口水库(年平均温度约16°C),所有垂直柱状沉积物样品被放置在培养皿的水深0.40米在黑暗16°C了10天。水样收集在中间的样品在实验的开始,然后每8 h在文化。在每个取样之前,上覆水慢慢搅拌使用细长的玻璃棒,以确保均匀采样和避免沉积物再悬浮。取样后,原上覆水补充等量的。所有样品都是保存在一个恒温培养箱在4°C。

2.4。分析方法

NH的内容4+- n的上覆水、沉积物和沉积物间隙水测量使用奈斯勒试剂比色法(gb7479 - 87,中华人民共和国国家标准),氯化钾萃取精馏方法(17,奈斯勒试剂比色法(17),分别,而阿宝43 -- p测量使用molybdenum-antimony anticolorimetry (gb11893 - 89,中华人民共和国国家标准)和钼蓝染色方法17),分别。美国P测定使用所述标准,测量和测试(SMT)方法(标准测量和测试程序欧盟委员会)(18)(见图2)。不稳定磷(LP)使用1 mol / L NH提取4Cl (19]:1 g的沉积物被放置在一个离心管,和NH 25毫升4Cl (1 mol / L)补充说,振荡为0.5 h,离心机。资讯内容的上层清液用钼蓝比色法测量。所有测量都是重复三次,平均报道(误差在< 5%)。空间差异的重要性分析了单向方差分析使用SPSS 19.0,和数字绘制使用9.0和10.2 ArcGIS起源。误差的标准差(SD)在纸上。


图2
提取沉积物的SMT P的方法。
2.5。实验结果的计算
2.5.1。双层膜扩散模型

提出了许多模型来描述从湖泊沉积物释放污染物,如渗透模型,双层膜扩散模型和表面更新模型。在这项研究中,使用双层膜扩散模型,分子扩散系数和双膜的厚度之比( )而不是使用双膜的厚度,难以确定20.]。三个假设在这个模型:(1)上覆水和沉积物都是单一的阶段,和上覆水混合,(2)之间的传质沉积物和上覆水发生只有通过分子扩散,和(3)沉积物中养分含量相对高的价格相比上覆水,因此营养损失在整个研究沉积物释放是可以忽略的。养分的释放过程从泥沙进入上覆水包括(1)迁移的营养从内部表面的沉积物,(2)界面转移的营养水,(3)通过液膜扩散,和(4)均匀混合的上覆水。鉴于以上三个假设,步骤1、2、4假设发生瞬间,因此第二步是释放过程的控制步骤21]。

根据双层膜扩散模型,传递通量 应该与分子扩散系数成正比 双膜的浓度梯度,后者是膜的两面之间的浓度差除以双膜的厚度 : 在哪里C污染物浓度在水侧(mg·L1), 是污染物在水相的平衡浓度(毫克·L1)。

让传输速度常数 。根据双层膜扩散模型和动力学理论,

因此,在水中污染物浓度的动力学阶段可以描述如下: 在哪里 是释放区域(m2), 上覆水的体积(m3)。

情商。3可以转换成) 在哪里 在实验上覆水的深度列(22]。

的情节 与时间 通过坐标原点是一条直线,斜率是吗 值(21]。的 值计算出实验结果如表所示2。

表2
污染物迁移速度( )在沉积物。

根据双层膜扩散模型,从沉积物污染物的释放通量

污染物的释放率 在哪里 是沉积区(m2)。

因此,每年的扩散 是 在哪里 上覆水的体积(m3), , 上覆水的深度(米),然后呢 扩散期(21]。

2.5.2。养分释放率在静态培养的沉积物

污染物的释放率可以根据质量守恒原则计算: 在哪里 从沉积物样品是污染物的释放率,mg / (m2·d); 上覆水的体积(L); , ,和 污染物的内容收集在实验的开始,时间吗 和 ,分别(毫克/升); 在添加水污染物含量(毫克·L1), 的体积是 样品(L); 之间的接触面积是沉积物和上覆水(m2);和 释放时间( )(22]。

3所示。结果与讨论

3.1。分布的不同形式的P和N沉积物

有显著差异总磷(TP)内容(402.40 - -560.30毫克公斤1)在5个抽样地点(DJK 1 - 5)的变异系数为14.4% ( ),与前面一致的发现在丹江口水库(530 mg·公斤吗1)[15),但低于三峡水库(1189 mg·公斤1)[23]。采样站点从DJK1 DJK5,大量的P化肥和作物残留物可以固定在土壤中吸附、沉降,微生物固定化(24]。然而,TP含量DJK 1 - 5似乎更少受到农业实践相比,在三峡水库。DJK 1中的发现TP含量最高,这是1.34倍,DJK 4。一般来说,从上游支流TP含量减少的主要储层,这可能与原土地利用类型有关(25)和化肥的使用量(见表1)。

不同形式的P的内容遵循的顺序 。因此,IP占最大比例(47.10 -59.70%)的TP五个采样地点,而资讯内容只有0.98 - -3.50毫克公斤1,占一小部分(0.10 -0.90%)的TP(见图3)。然而,它指出,LP是弱束缚磷在沉积物表面容易被水生生物利用,和P是最容易释放沉积物LP的形式(26]。各种形式的P的垂直分布与沉积物DJK 4显示了一个下降趋势深度和磷的内容,也可以轻松地利用水生生物,范围从1.70毫克公斤14.70 mg·公斤1,而在DJK 5显示了一个w型递减趋势,Ca-P内容范围从9.30到28.50 mg·公斤1。P的垂直分布可能与环境有关,沉降速度,和年龄。沉积物深度越大,越低的内容将各种形式的P (27]。肥料含有P不允许在早期,因此导致更少的沉积物中营养物质的积累;而越来越多的P化肥使用近年来,从而导致沉积物中P含量的增加。


图3
垂直分布的各种形式的P和北半球4 +- n从网站DJK4和DJK5沉积物中收集。

无机N存在于沉积物和上覆水主要分布在北半球的形式4+- n (28]。表3表明,北半球4+- n含量173.00毫克·公斤不等1208.10 mg·公斤1五个采样地点,略高于之前的研究中获得(142.30 mg·公斤1)[29日]。符合桥水库面临的研究(30.),北半球4+从上游支流- n含量也降低的主要热源。支流河与储层相比,特点是小床上斜坡和流动速度,使其更容易积累有机物(31日]。P的空间分布也是影响农业实践五个采样地点由于大量使用化肥。在垂直分布,北半球4+- n含量增加随着沉积物深度的增加(见图3),因为NH4+- n可以很容易地从沉积物表面扩散到上覆水通过复杂的物理、化学和生物的交流(32]。然而,NH4+在4 - 12 cm - n含量增加。有机N矿化以越来越快的速度在深海沉积物氨化细菌的影响,更重要的是,更少的氧气可以随着沉积物深度的增加,导致抑制硝化作用,因此少NH的变换4+- n成其他形式的n .因此,北半球的增加4+- n内容是观察到4 - 12厘米(33]。

表3
表面沉积物的平均P的内容不同采样地点。

NH的内容4+- n和阿宝43 -- p的沉积物间隙水DJK 4和DJK 5随着深度增加而增加(见图4),明显高于在DJK4 DJK5 ( )。平均NH4+- n含量10厘米的间隙水的深度DJK4样本和DJK5 16.00 mg·L1和3.50 mg·L1变异系数为42.50%和107.70%,分别。因此,NH4+- n含量变化更显著DJK5 [34]。在DJK5,北半球4+- n含量随着深度增加而增加,直到最多12.75 mg·L1到达在3厘米,后随深度的进一步增加而减小。这个同意刘等人的研究关于杭州西湖的北里湖35)和王等人的研究关于Nansi湖(36]。北半球的显著差异4+之间DJK - n含量在4到10厘米,4和DJK 5可以归因于存在更多的铁和锰氧化物在DJK5,充当NH的电子受体4+NH的转换4+在北半球3气体在厌氧条件下(37]。它也指出,NH就越高4+DJK的间隙水4 - n含量与北半球是一致的4+在沉积物- n的内容。


图4
NH的变化4 +- n和阿宝4 3 -沉积物间隙水- p的内容。

一般的订单43 -- p含量10厘米的间隙水的深度DJK4样本和DJK5 5.26 mg·L1和4.30 mg·L1变异系数为20.50%和36.20%,分别是DJK 4 P含量高有关。在DJK 5中,阿宝43 -- p含量先增加然后减少随着深度增加,和8.16毫克的最大·L1达到2厘米;而在DJK 4中,阿宝43 -- p内容最大化在4厘米(7.45 mg·L1)和10厘米(5.47 mg·L1)。这是因为PO43 -- p表面间隙水很容易扩散到上覆水,导致较低的阿宝43 -- p含量的价格相比深间隙水(38]。在这两种DJK 4和DJK 5,阿宝43 -- P含量下降,4 - 7厘米,有一个从有氧无氧条件,可以抑制需氧微生物的影响在活动有机碎屑和增加铁和锰氧化物的溶解在厌氧条件下,从而导致吸附磷的释放。

3.2。释放NH4+从静态培养沉积物- n

NH4+从sediment-overlying水界面- n释放到上覆水的DJK1-5(参见图3月5),这是在良好的协议与丹江口水库(8月11]。释放速率范围从13.08毫克(m2·d)121.39 mg·(m2·d)1,最大的是观察到DJK3 (21.39 mg·(m2·d)1),这是1.32倍的平均水平。它是高于Meiliang湾的太湖15°C (12.60 mg·(m2·d)1)[39),但低于Fubao湾Dianci湖的14 - 16°C (93.03 mg·(m2·d)1)[40),因为有机物释放大量的沉积物对上覆水DJK3。在空间分布,北半球的变异系数4+DJK 4 - n含量50.60%和74.30% DJK 5,两者都是高于DJK1-DJK3(分别为18.70%,20.90%,和20.10%)主要用于农业。


图5
NH的内容和释放率4 +在上覆水- n。

流速是底部的储层普遍较低,使营养物质很难迁移到上覆水通过sediment-interstitial water-overlying水界面。在富氧条件下,沉积物中有机N NH等可以转化为无机离子4+也没有3- - - - - -通过硝化作用,进而可以扩散到上覆水和间隙水,然后,结果,在北半球产生影响4+上覆水- n含量(37]。它也指出,更多的北半球4+将被释放在厌氧条件下相比,在有氧条件下(41]。此外,有机N的分解结果NH的形成3在缺氧条件下但NH4+在酸性条件下n。北半球4+上覆水也可以扩散到沉积物。沉积物中微生物的活动和随后的氨化减少在一个缺氧的环境中,和减少环境还可以促进反硝化作用,最后,N是释放到大气中。

3.3。释放订单43 -从静态培养沉积物- p

PO43 -- p浓度上覆水的五个采样点(DJK1-5)随着时间的推移会增加3月,水库和变异系数(DJK 4和DJK 5 35.40%和64.70%,分别)显著高于上游支流(DJK1-DJK3 21.40%、15.80%和26.70%,分别)(见图6)。北半球的也发现相同的现象4+- n含量上覆水。阿宝的释放率43 -从3.06 mg·(m - p范围2·d)16.02 mg·(m2·d)1平均为4.65 mg·(m2·d)1,这是低于7月在太湖的Meiliang湾(76.55 mg·(m2·d)1)[42),但略高于Wuli湖的太湖(2.05 mg·(m2·d)1)[43]。DJK1找到释放率最高,平均水平的1.29倍。阿宝的释放率43 -- p降低从上游支流主要储层,这与沉积物的污染程度是一致的。然而,从沉积物P的释放潜力并不完全取决于TP沉积物中。P的释放率是高水有机污染严重,这是相关的存在大量的易降解物质(44]。实验开始时当有丰富的氧气,活跃的有机碎屑沉积物可以释放大量的订单43 -在微生物的影响。阿宝43 -可以扩散到间隙水和上覆水的浓度梯度,形成第一个版本的订单吗43 -。另一方面,一个厌氧环境下会形成好氧微生物的影响,和铁和锰氧化物可以很容易地增加溶解度降低,导致吸附磷的释放,从而形成第二释放高峰的阿宝43 -。


图6
订单的内容和释放率4 3 -在上覆水- p。
3.4。每年释放的氮和磷沉积物和风险评估

2012年大坝高度的增加导致储层面积1023公里2存储容量的290.5亿米3和平均水深约30米。拦截污染物后,一年一度的释放订单43 -- p和NH4+- n从新水下沉积物上覆水计算是0 t和 t,分别使用公式(7基于迁移系数() )在实验和双层膜扩散模型获得的平均气温16°C丹江口水库。这大大不同于释放TP基于SWAT模型( t) (45),可能是因为等管理实践将表层土培养生育可以减少沉积物的内源污染物,因此TP的释放量。NH的数量4+- n和阿宝43 -从0.44 mg·L - p将增加1和0.02 mg·L10.57 mg·L1和0.02 mg·L1根据平均每年流入(394.8亿米3)和0.62 mg·L1和0.03 mg·L1根据水库的总存储(290.5亿米3),分别。理论上,水质量是中等营养和富营养化之间(0.03 - -0.05毫克·L1TP和0.31 - -0.65 mg·L1对TN) [46]。水库存储是在雨季增加从5月到10月,和温度的增加会导致增加溶解土壤中的碳和微生物活动。因此,大量的氮和磷积累在土壤中迁移到上覆水,目前的主要因素影响丹江口水库的水质。此外,新淹没的地区往往是在替代submergence-dry州,为农业生产和土地种植在干燥条件下(16),从而导致增加扩散的P和N沉积物上覆水。

4所示。结论

(1)清廉的TP内容厘米沉积物样品收集在丹江口水库及其上游支流从402.40毫克·公斤不等1560.30 mg·公斤1,不同形式的P的内容遵循的顺序 。之间的空间差异P内容五个采样点可能与原来的土地利用类型(2)一般的订单43 -- p和NH4+- n含量DJK 4和DJK 5的间隙水高于上覆水,因此PO43 -- p和NH4+- n可能释放沉积物对上覆水(3)实验和计算结果表明,N和P很容易释放沉积物对上覆水,因此新水下沉积物内源污染是一个重要因素影响丹江口水库的水质

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究支持联合中国国家重点研究和开发项目(2019号yfc0409202),创新的基础研究小组中国国家自然科学基金(51721006),高水平人才支持计划的中国北方水资源和电力大学和特殊支持创新型科技团队的水生态安全水源地区的河南省南水北调中线工程。